同塔雙回輸電線路雷擊跳閘率仿真研究

同塔雙回輸電線路雷擊跳閘率仿真研究

0同塔雙回線路的合理設計通過同時修建雙通道，將單元走廊區(qū)的供電能力作為有效措施，在能源系統(tǒng)中得到了越來越多的應用。雷擊是造成輸電線路跳閘故障的最主要原因之一。而同塔雙回線路相對于單回線路來說,具有桿塔高度更高、更易遭受雷擊、桿塔電感和感應過電壓更大等特點,增加了發(fā)生雷擊跳閘故障的可能性。另外由于同塔雙回線路各相導線之間的間距較小,增大了相間電容和相地電容,并增加了系統(tǒng)過電壓水平。由于相關(guān)電力標準頒布時間較早,其推薦的計算方法主要針對單回線路,應用于同塔雙回線路耐雷電沖擊性能判定時具有較大局限性。在國外,美、歐、日較多使用同塔雙回線路。尤其是日本,絕大多數(shù)500kV線路及新建1100kV線路均采用同桿雙回線路,其特點為采用逆相序?qū)Ь€排列。在采用負保護角防繞擊方面,美國各超高壓線路保護角大小相差較大,一般同塔雙回線路的保護角遠小于一般單回路線路,起到了較好的防繞擊效果。鑒于500kV電壓等級線路的重要性,國內(nèi)一些科研單位曾對500kV同桿雙回輸電線路絕緣及耐雷性能進行過研究和分析。但是,相對于500kV線路來說,220kV、110kV線路具有絕緣及反擊耐雷水平較低,絕緣子串較短等特點,其反擊跳閘率仍然不可忽視,其主要雷擊方式與500kV線路存在明顯區(qū)別。另外,目前對同桿雙回輸電線路的防雷研究缺乏對地形因素,尤其是山區(qū)復雜地形影響的研究。因此,對各電壓等級的雙回輸電線路絕緣及耐雷電沖擊特性進行系統(tǒng)的對比研究,對其雷擊方式及主要影響因素(如接地阻抗、地形因素等等)進行分析和總結(jié),對探索山區(qū)復雜地形同塔雙回線路防雷措施的最佳平衡點、優(yōu)化輸電線路的絕緣及防雷設計,具有十分重要的意義。輸電線路雷擊跳閘故障的發(fā)生本身具有較強的概率性質(zhì),利用隨機數(shù)學方法來模擬它的發(fā)生過程更能體現(xiàn)其本質(zhì)特征。MonteCarlo法作為一種隨機數(shù)學方法,在選定目標函數(shù)以后,可以對雷電流幅值、工頻電壓疊加瞬時值、雷擊部位等雷擊線路過程中的不確定參數(shù)進行更好的模擬,通過統(tǒng)計方法得到與實際情況更為相符的仿真結(jié)果。本文結(jié)合忻州地區(qū)雷擊故障統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù),基于MonteCarlo法建立了針對雙回輸電線路雷擊跳閘率的仿真方法,并對實際運行中的110kV、220kV典型單、雙回輸電線路桿塔進行了仿真計算,分析了隨機抽樣因素對雷擊跳閘率產(chǎn)生的影響,研究了山區(qū)復雜地形同塔雙回線路的輸電線路絕緣及耐雷電沖擊特性。1不同雷達總次數(shù)文獻應用MonteCarlo法對輸電線路雷擊跳閘率進行仿真的原理進行了詳細論述。線路的雷擊跳閘率s可表示為式中,n為模擬發(fā)生雷擊的總次數(shù);Ii、Bi、Ui為第i次雷擊發(fā)生過程中的雷電流幅值、雷擊部位、工頻電壓瞬時值等隨機參數(shù);H、R、θ為桿塔高度、接地電阻、地面傾角等固定參數(shù)。文獻應用MonteCarlo法設計了單回輸電線路雷擊跳閘率隨機參數(shù)抽樣方法,主要考慮了雷電流幅值、雷擊部位和工頻疊加電壓瞬時值3個抽樣參數(shù),本文在此基礎上,結(jié)合忻州地區(qū)實際線路運行數(shù)據(jù),對雙回輸電線路隨機抽樣方法進行了探討。1.1:電弧流幅值累積概率雷電流幅值分布可以通過雷電流幅值累積概率分布曲線表示,其統(tǒng)計意義為雷電流大于I(kA)的概率為P。我國現(xiàn)行規(guī)程推薦的雷電流幅值累積概率公式為IEEE推薦的雷電流累積概率分布計算公式為本文采用式(3)對雷電流幅值進行抽樣,原因?qū)⒃?.1節(jié)中詳述。在模擬每次雷擊過程發(fā)生時,通過計算產(chǎn)生在[0,1]均勻分布隨機數(shù)r1,雷電流幅值I采用直接抽樣法產(chǎn)生,即1.2線路模型分析輸電線路發(fā)生雷擊時,雷擊部位直接決定了雷擊方式為反擊還是繞擊,而通常情況下線路的耐反擊水平遠高于耐繞擊水平,因此雷擊部位對線路雷擊跳閘率大小具有很大影響。而目前電網(wǎng)中廣泛采用的雷電故障定位系統(tǒng)尚無法對雷擊部位進行精確識別,因此通過雷擊部位抽樣可以對雷擊故障進行更為準確的仿真。電氣幾何模型(electricgeometrymodel,EGM)是目前工程計算中確信度較高的一種繞擊計算方法,采用EGM能夠較好地分析線路繞擊率。EGM基本原理是:假設雷電先導與物體是否發(fā)生放電(即雷擊過程)由擊距決定,雷電先導與物體的距離小于擊距則發(fā)生雷擊,大于擊距則不發(fā)生雷擊。擊距是雷電流幅值的函數(shù),對于輸電線路,其大小可按IEEE推薦公式計算,即式中,rc為導線(避雷線)擊距;rg為地面擊距;hd為桿塔高度。當輸電線路為同塔雙回、地面傾角為θ時,其電氣幾何模型如圖1所示。當?shù)孛鎯A角為0時,依圖示建立x-y直角坐標系,避雷線及上中下三相導線位置坐標可由線路結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定。當?shù)孛娲嬖诖笮棣鹊膬A角時,以順時針方向為正方向,以原有原點為圓心,將原x-y坐標系向正方向旋轉(zhuǎn)θ,得到新的坐標系x1-y1。在雙回線路結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和地面傾角大小θ均已知的情況下,可以通過極坐標變換得到避雷線和上中下三相導線在新坐標系中的位置坐標。對于雙回輸電線路,在一次雷擊發(fā)生過程中,當由1.1節(jié)中隨機抽樣方法得到雷電流幅值I后,可以由式(5)和式(6)計算得到新坐標系下的導線和避雷線擊距rc1以及地面擊距rg1。如圖1所示,分別以避雷線和上中下三相導線位置為圓心,rc1為半徑做4段圓弧,通過平面解析幾何方法可求得圖中A1、B1、C1點在x1-y1坐標系中的坐標,根據(jù)其在x1軸上的投影A′1、B′1、C′1,可認為雷擊線路發(fā)生時,繞擊概率Pr為式中,為B′1、C′1間距離;為A′1、C′1間距離。從圖1可以看出,當?shù)孛鎯A角為正向θ時,桿塔的等效保護角由原來的α增大到α+θ,增加了繞擊發(fā)生可能性。模擬每次雷擊發(fā)生過程時,由計算產(chǎn)生在[0,1]均勻分布隨機數(shù)r2,比較r2與通過式(7)計算得到的雙回線路繞擊率Pr值。當r2>Pr時,線路發(fā)生反擊;當r2≤Pr時,線路發(fā)生繞擊。1.3電氣系統(tǒng)lo法隨機抽樣我國規(guī)程推薦的反擊和繞擊過電壓計算式均未考慮雷擊發(fā)生時導線上工頻電壓瞬時值所產(chǎn)生的影響。而對于雙回輸電線路,導線數(shù)量較之單回線路更多,工頻電壓所產(chǎn)生的影響可能更大。利用MonteCarlo法進行隨機抽樣可以很好地解決工頻電壓瞬時值模擬這一問題,文獻提出了單回輸電線路工頻電壓瞬時值的抽樣方法,由計算產(chǎn)生一個[0,1]均勻分布的隨機數(shù)r3,由于工頻相角在[0,2π]上是均勻分布的,由此可將產(chǎn)生的隨機數(shù)變換為相角的隨機數(shù)得到φ值后,就可以計算出三相工頻電壓瞬時值:式中,Um為相電壓峰值。我國雙回輸電線路存在較多相對獨立的情況,因此可由計算再產(chǎn)生一個[0,1]均勻分布的隨機數(shù)r4,對于桿塔另一側(cè)的三相導線工頻電壓相角Φ進行抽樣,即得到Φ值后,另一側(cè)三相導線工頻電壓瞬時值計算方法按照式(9)~(11)進行計算,不再贅述。1.4模擬流程建設基于3項主要隨機參數(shù)抽樣方法的探討,可以建立針對雙回輸電線路方法的仿真流程,見圖2。2全條輸電線路典型桿塔對比研究為分析隨機參數(shù)抽樣對單、雙回輸電線路雷擊跳閘率產(chǎn)生的影響,本文選取忻州地區(qū)110kV、220kV單、雙回共4條輸電線路中的4種典型桿塔進行雷擊跳閘率研究,其具體型號如表1所示。將默認的主要固定參數(shù)設定為:雷暴日數(shù)40,桿塔所處地面傾角0,桿塔接地電阻均為11Ω,110kV絕緣配置為7×LXP-70型瓷絕緣子,220kV絕緣配置為14×LXP-70型瓷絕緣子。在此條件下,通過仿真計算分析隨機參數(shù)抽樣對單、雙回輸電線路產(chǎn)生的影響。2.1幅值累積概率分布曲線對比依據(jù)山西省電網(wǎng)雷電定位監(jiān)測系統(tǒng)所統(tǒng)計的忻州地區(qū)2001-2010年10a間落雷總數(shù)按雷電流幅值的分布數(shù)據(jù),可以得到雷電流幅值直方圖,如圖3所示?？梢詳M合雷電流幅值累積概率分布曲線,按照表1中數(shù)據(jù)擬合以及式(2)和式(3)的繪制曲線對比如圖4所示。由雷電流累積概率分布曲線對比可以看出,通過我國規(guī)程推薦的式(2)計算得到的曲線與忻州地區(qū)雷電流分布曲線具有一定差別。該地區(qū)統(tǒng)計的雷電流>10kA的概率為0.998,而按照式(2)進行計算,雷電流>10kA的概率僅為0.770。由IEEE推薦的式(3)計算得到的曲線與忻州地區(qū)雷電流累積分布曲線吻合較好,因此本文所采用的雷電流累積概率分布計算公式近似采用式(3)進行計算。2.2典型桿塔繞擊跳閘率隨地面傾角的變化由1.2節(jié)中的分析可知,雷擊部位對輸電線路雷擊跳閘率產(chǎn)生的影響主要通過繞擊跳閘率隨地面傾角θ的變化來體現(xiàn),圖5是4種典型桿塔的繞擊跳閘率隨地面傾角變化曲線。由圖5可知,地面傾角的變化對繞擊跳閘率的影響非常大,尤其是當?shù)孛鎯A角>25°后,4種典型桿塔的繞擊跳閘率均隨地面傾角的增大急劇升高。其中110kV雙回塔增長幅度遠高于其他類型桿塔,默認情況下當?shù)孛鎯A角由0升高至50°時,繞擊跳閘率由0.4次/(100km·a)升至10.8次/(100km·a);220kV單回塔和110kV單回塔上升幅度相當,分別為6.80次/(100km·a)和6.50次/(100km·a),220kV雙回塔由于采用了保護角為0的桿塔結(jié)構(gòu),上升幅度僅4.03次/(100km·a)。值得注意的是,220kV雙回塔呼稱高和桿塔高度在4種典型桿塔中均是最高的,因此在落雷數(shù)相同的情況下,應具有最高的線路引雷次數(shù),但其繞擊跳閘率隨地面傾角增大而增加的變化率是4種典型桿塔中最低的。這說明減小桿塔保護角可以在雙回輸電線路桿塔所處地形存在地面傾角時起到明顯的降低繞擊跳閘率作用。2.3工頻電壓疊加前后點段中點段對比在默認參數(shù)下,對比4種典型桿塔的工頻電壓疊加前后的雷擊跳閘率如表2所示。疊加工頻電壓后,單、雙回輸電線路桿塔雷擊跳閘率均有較為顯著的增長,4種典型桿塔的計算值均在20%左右,由于地面傾角為0的情況下,繞擊跳閘率本身較低,所以此時工頻疊加主要影響的是反擊跳閘率。由此可見是否考慮工頻疊加電壓瞬時值會對反擊跳閘率計算結(jié)果的準確性產(chǎn)生較大影響。為分析工頻電壓對繞擊跳閘率產(chǎn)生的影響,將地面傾角改變?yōu)?0°,其余主要固定參數(shù)設定不變,對比4種典型桿塔的工頻電壓疊加前后的雷擊跳閘率如表3所示。觀察表3可以發(fā)現(xiàn),地面傾角為30°時,疊加工頻電壓后4種典型桿塔的雷擊跳閘率的增大幅度仍均在10%以上,充分說明了工頻疊加電壓對雷擊跳閘率具有較大影響,其影響因素不可忽視。值得注意的是,在繞擊跳閘率計算值變化規(guī)律方面,單、雙回輸電線路呈現(xiàn)了不同的特征,兩種單回輸電線路桿塔繞擊跳閘率略微降低,其中110kV降幅為0.23%,220kV為1.23%,可忽略不計。而對于兩種雙回輸電線路桿塔,繞擊跳閘率出現(xiàn)了不同幅度的明顯上升,其中110kV為5.5%,220kV為11.8%,說明在地面存在較大傾角的情況下,是否考慮工頻電壓疊加因素將對同塔雙回線路繞擊跳閘率計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。3雙回輸電線路中點式電路設計時合理設計本文基于MonteCarlo法這一隨機數(shù)學方法,結(jié)合實際線路運行數(shù)據(jù),對山區(qū)復雜地形同塔雙回輸電線路的雷擊跳閘特性進行了仿真計算。尤其對隨機參數(shù)抽樣方法進行了深入的研究,并針對隨機參數(shù)對單、雙回輸電線路雷擊跳閘率產(chǎn)生的不同影響進行了分析和討論,得出主要結(jié)論如下:1)為保證雙回輸電線路雷擊跳閘率計算的準確性,雷電流幅值隨機抽樣計算公式應依據(jù)各地區(qū)的雷電流幅值分布統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行選擇。2)對比同等電壓等級下單回輸電線路,雙回輸電線路繞擊跳閘率對地面傾角變化更敏感,隨地面傾角增加而具有更大的增長幅度,而在地面存在傾角的情況下采用保護角